張凈瑞，劉其彬，李飛，苑志華，楊躍傘，鄭煜銘

(1.盛發(fā)環(huán)保科技(廈門)有限公司，福建廈門361022; 2.中國科學院城市環(huán)境研究所城市污染物轉化重點實驗室，福建廈門361021)

燃煤電廠脫硫廢水煙氣余熱蒸發(fā)零排放工程的設計與應用

張凈瑞1，劉其彬1，李飛1，苑志華2，楊躍傘2，鄭煜銘2

(1.盛發(fā)環(huán)保科技(廈門)有限公司，福建廈門361022; 2.中國科學院城市環(huán)境研究所城市污染物轉化重點實驗室，福建廈門361021)

結合河南焦作某電廠2×350MW機組脫硫廢水煙氣余熱蒸發(fā)零排放工程的設計實例，詳細闡述了高效多維極相電絮凝反應器耦合雙堿法脫硫廢水預處理模塊、雙膜法高鹽水濃縮減量模塊，以及濃縮液煙氣余熱蒸發(fā)模塊的工藝流程，分析了該工藝運行狀況，并核算了該工藝運行成本。結果表明，基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放技術不僅投資與運營成本低，而且可減少脫硫工藝用水，具有廣泛的推廣應用價值。

燃煤電廠;脫硫廢水;煙氣余熱蒸發(fā);零排放

0 引言

我國電廠以燃煤發(fā)電為主，由此引發(fā)的大氣污染問題受到廣泛關注，如燃煤電廠排放的SO2占全國總排放量的45%以上［1］。為滿足國家對SO2排放標準要求，大多燃煤電廠都配置了脫硫系統(tǒng);其中，石灰石－石膏濕法煙氣脫硫技術具有脫硫效率高、設備運行穩(wěn)定、原料便宜和副產物可回用等優(yōu)勢，日漸成為燃煤電廠脫硫工藝的首選［2－3］。近年來，我國火電廠新建的脫硫工藝中，石灰石－石膏濕法煙氣脫硫技術占了近90%［4］;但該系統(tǒng)運行時會產生一定量脫硫廢水;該廢水成分復雜，且具有強腐蝕性，其有效處理成為制約燃煤電廠廢水零排放的關鍵［5］。

目前，脫硫廢水處理方法主要有:排至除灰系統(tǒng)、用于水力除渣、三聯箱化學沉淀法、流化床工藝、蒸發(fā)結晶工藝、膜濃縮工藝和煙道氣蒸發(fā)工藝等［6－8］。除灰及除渣系統(tǒng)能利用的脫硫廢水量較小，且只適用于設置水力除灰系統(tǒng)的電廠，使用范圍較窄;三聯箱化學沉淀法裝置龐大、系統(tǒng)復雜、藥劑消耗量大，且處理后氯離子濃度依舊較高，達不到排放及回用要求，致使火電廠三聯箱系統(tǒng)閑置率較高;蒸發(fā)結晶與膜濃縮等深度處理工藝，因運行與維護成本高，限制其推廣應用，目前國內只有河源電廠與恒益電廠采用上述深度處理工藝(投資金額分別高達9800萬元和4600萬元);煙道氣蒸發(fā)零排放工藝，直接利用煙氣余熱實現脫硫廢水的零排放，工藝簡單，成本較低，具有廣闊應用前景，但國內鮮有工程化應用報道。

河南焦作某電廠2×350MW機組采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝脫硫，鑒于脫硫廢水水質的特殊性，該電廠設置了單獨的脫硫廢水處理系統(tǒng)，即傳統(tǒng)三聯箱(中和箱、沉淀箱和絮凝箱)系統(tǒng)，但是經處理廢水仍不能滿足《火電廠石灰石－石膏濕法脫硫廢水控制指標》(DL/T 997－2006)要求;且處理后廢水氯離子濃度高，對金屬設備腐蝕性較強，無法回用于其他系統(tǒng)。

為實現脫硫廢水零排放，盛發(fā)環(huán)保在原有三聯箱系統(tǒng)基礎上，研發(fā)了一套新型脫硫廢水回收利用工藝。脫硫廢水經該系統(tǒng)處理后可完全回用于脫硫系統(tǒng)，節(jié)省了相同數量脫硫工藝用水，減少了電廠能耗，實現電廠脫硫廢水零排放。該系統(tǒng)的成功運行可為燃煤電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供理論和技術支持。

1 脫硫廢水特點

煤在爐膛內燃燒時，所含化學元素在高溫下生成多種無機化合物，它們隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)，并溶解在吸收漿液中。不斷循環(huán)的漿液會逐漸富集Cl－，加速設備和原材料的腐蝕并影響系統(tǒng)的脫硫效率。為了維持脫硫系統(tǒng)內物料平衡，控制漿液氯離子濃度在一定的范圍內，需定期排出一定量的脫硫廢水，其水質隨煤種、吸收塔內漿液濃縮倍率而變化，表1給出了該機組某時間段脫硫廢水水質，其水質特點如下:

(1)廢水pH值為5.5～6.5，呈弱酸性;

(2)廢水懸浮物含量大、濁度高，主要為石膏顆粒、SiO2等;

(3)廢水含多種重金屬，如Cr、As、Cd、Pb、Hg和Cu等;

(4)廢水中Cl－、Ca2+、Mg2+等含量較高，不僅會降低系統(tǒng)脫硫效率、損害石膏品質，還會引起后續(xù)石膏脫水困難、設備腐蝕等問題，增加廢水處理回用的難度［9］。

脫硫廢水這些特點，使其成為燃煤電廠中最復雜的一類水，并且對脫硫系統(tǒng)管道、各種金屬材料及相關動力設備有很強的腐蝕性;如何有效處理脫硫廢水是制約燃煤電廠廢水零排放核心問題之一。

該電廠脫硫廢水水量為6～10t/h，其水質復雜、污染性強，處理難度大，電廠設置了專門的三聯箱處理系統(tǒng)。從表1可看出，雖然三聯箱有一定的處理效果，但處理后廢水含鹽量極高(高氯離子濃度)，對金屬設備腐蝕性極強，導致經處理脫硫廢水不能回用于其它系統(tǒng)。若將處理后脫硫廢水排放到市政污水處理廠，由于其不含有機物卻含有較高的鹽分，會造成微生物的大量死亡，使出水水質惡化，影響污水處理廠的正常運行。

表1 脫硫廢水原水與三聯箱出水水質

隨著《水污染防治行動計劃》的發(fā)布，國家對廢水排放要求越來越嚴格，對廢水循環(huán)利用、實現廢水零排放的呼聲越來越高。在這種新形勢下，該電廠設計了脫硫廢水零排放系統(tǒng)。

2 基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放系統(tǒng)及其運行特征

該系統(tǒng)主要包括高效多維極相電絮凝耦合雙堿法預處理模塊、雙膜法高鹽水濃縮減量模塊、濃縮液煙氣余熱蒸發(fā)模塊。預處理模塊去除大部分懸浮固體顆粒和重金屬等，并充分軟化廢水，防止后續(xù)煙氣余熱蒸發(fā)結晶模塊噴頭的堵塞與結垢現象產生;雙膜法高鹽水濃縮減量模塊產生的淡水可直接回用于脫硫工藝，只需將濃水噴入煙道，大幅度地降低進入煙道的水量負荷，有效減少了廢水對煙道溫度、濕度、粉煤灰質量以及除塵效率的影響。該工藝可節(jié)省脫硫工藝用水，減少水耗;利用煙氣余熱，節(jié)省能耗，并最終實現脫硫廢水零排放。

2.1 高效多維極相電絮凝反應器耦合雙堿法預處理模塊

改造電廠原有中和箱、沉降箱和絮凝箱，增強水中鈣、鎂等硬度離子、硫酸根離子和固體懸浮物去除效果，圖1為預處理模塊流程。

脫硫廢水首先進入高效多維極相電絮凝反應器，在高頻脈沖電壓作用下，實現廢水中污染物的氧化還原，并通過凝聚、浮除，將污染物從水體中分離，可有效去除廢水中的CN－和Zn2+、Cd2+、Cr6+、Ni2+、Cu2+等重金屬離子。

圖1 預處理模塊流程

經電絮凝反應器處理后，廢水進入pH調節(jié)箱，針對其pH值較低和含量較高的特點，向調節(jié)箱添加石灰乳和液堿，將pH值控制在9.5～11之間，以去除重金屬離子、和等。此時，Mg2+形成微溶氫氧化物、形成微溶硫酸鈣從廢水中沉淀出來，并通過溢流管進入污泥箱。為減少沉淀時間，在污泥箱中加入5%新型無機多孔絮凝劑SF－CZ－01，絮凝后溶液中包含的絡合物、沉淀物以及懸浮物的細小礬花積聚成的大顆粒物被輸送至固液分離器，實現固液分離。此時，固液分離器出水澄清，并形成緊實泥餅。新型無機多孔絮凝劑SF－CZ－01的加入，一方面加快污泥沉降、保持污泥形態(tài)穩(wěn)定;另一方面可去除一定量懸浮物、降低水中固體微粒雜質，可減少后續(xù)雙膜系統(tǒng)的膜污染。

經pH調解箱后，廢水中Mg2+、的濃度分別降至0.8～1g/L、1～2g/L(見表2中固液分離出水水質);石灰乳加入使固液分離出水中鈣離子濃度上升，達0.5～1.2g/L;固液分離器滲濾液出水經收集，調節(jié)pH后進入沉降箱;沉降箱中加入Na2CO3形成碳酸鈣沉淀以去除鈣離子;沉降箱的泥水混合物經溢流管進入絮凝箱，添加PAC進行絮凝，并溢流至澄清池;澄清池底部污泥，一部分通過循環(huán)泵返回中和箱，以提供沉淀所需晶核，獲得更好地沉降;一部分通過污泥輸送泵進入板框式壓濾機脫水，生成的泥餅外運;澄清池上清液經出水箱收集進入雙膜系統(tǒng)。

經預處理后，水質有了很大改善，澄清池上清液水質如表2所示。懸浮物(SS)由原水的3%～5%下降為0.01%～0.05%;+由原水的8～12g/L下降至0.3～0.5g/L;由原水的30～50g/L下降至1～2g/L;Ca2+由原水的0.2～0.6g/L下降至為0.1～0.2g/L。

表2 脫硫廢水各模塊出水水質

2.2 雙膜法高鹽水濃縮減量模塊

為了減小進入煙道水量負荷，以減弱對煙道溫度、濕度、粉煤灰質量以及除塵效率的影響，經高效多維極相電絮凝反應器耦合雙堿法預處理后的廢水進一步經過雙膜法處理，達到濃縮減量的目的。雙膜法高鹽水濃縮減量模塊流程見圖2。

微濾膜能截留0.1μm以上的顆粒，只有溶解無機鹽和小分子物質能通過膜，懸浮物、微生物、蛋白質、膠體等大分子物質則被阻擋。微濾膜憑借對顆粒、膠體物質、細菌的較強去除能力得到了廣泛的應用［10］。預處理模塊出水在出水箱收集，用鹽酸調整pH至7～9，輸送至微濾系統(tǒng)。在微濾過程中，通過調節(jié)進水壓力、過濾時間、反沖時間以優(yōu)化參數。

反滲透膜具有工藝簡單、體積小、操作程序單一、分離系數大、節(jié)能高效、不產生酸堿廢水無二次污染等優(yōu)點［11］，為此，采用反滲透膜對微濾產水進行濃縮減量處理。經預處理及微濾處理后產水可滿足反滲透膜對進水水質的要求。

圖2 雙膜法高鹽水濃縮減量模塊流程

系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，其出水水質見表2和表3。反滲透產水(淡水)可滿足回用要求，回收率達60%以上。預處理及濃縮減量模塊去除了大部分懸浮固體顆粒、重金屬等，并對水質進行軟化，可有效預防煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)中噴頭的堵塞及結垢。

表3 雙膜法處理效果

2.3 煙道余熱蒸發(fā)模塊

反滲透膜所產淡水回用于脫硫工藝，節(jié)約了電廠水耗;只將濃水排入煙氣余熱蒸發(fā)模塊，采用噴嘴將其霧化，噴入電除塵器和空氣加熱器之間的煙道間隙，利用煙道內高溫煙氣將霧化后濃水蒸發(fā)為水蒸汽，隨除塵后煙氣進入脫硫塔，在脫硫塔噴淋冷卻作用下，水分凝結進入脫硫塔漿液循環(huán)系統(tǒng);蒸發(fā)結晶物隨灰塵一起進入電除塵器隨灰外排。該模塊既可以充分利用電廠外排煙氣熱能，又可達到脫硫廢水零排放目的，具有重要的工程應用價值。

霧化裝置將濃水霧化為粒徑小于100μm的細小液滴，較小液滴具有較大比表面積，蒸發(fā)速度快，大部分液滴在到達煙道壁前已被蒸發(fā)，避免濕壁現象發(fā)生，有效減少對煙道內壁腐蝕。濃縮減量模塊有效降低了進入煙道的水量負荷，進一步減少了脫硫廢水對煙道可能產生的影響。

圖3為煙道霧化蒸發(fā)濃水前后煙道溫度變化，結果表明:噴霧后，煙道溫度降在5℃以內，保證其溫度在酸露點以上(酸露點在90～100℃左右);另外，噴霧后煙氣濕度平均僅增加0.33%。煙氣溫度降低和濕度升高，能降低電除塵器中灰的比電阻，利于后續(xù)除塵效率提高［12］。

圖3 煙道進出口溫度變化(第15天開始煙道霧化蒸發(fā))

蒸發(fā)結晶物隨粉煤灰一起在電除塵排出，不會對煙道及電除塵器造成腐蝕。該2×350MW機組鍋爐產生約1431000m3/h的煙氣，約65t/h的粉煤灰，經預處理后，水中的污染物絕大部分以氯化鈉(食鹽主要成分)形式存在，根據物料平衡計算氯化鈉量約為0.06t/h，氯離子量為36.4kg/h，只占粉煤灰質量的0.056%，蒸發(fā)結晶物對粉煤灰品質的影響可忽略不計;表4為煙道霧化蒸發(fā)濃水前后粉煤灰成分對比。

表4 噴灑濃水前后粉煤灰成分變化

另外，該工藝采用PLC實現智能控制。煙道內噴頭前后設置煙道溫度感應器，根據煙道溫度調節(jié)噴霧水量負荷，確保系統(tǒng)安全運行;如果低于溫度范圍下限，設備將自動停止工作，直至煙溫恢復正常。經預處理及微濾后，廢水中顆粒物、重金屬離子及Mg2+、被充分去除，水體軟化，降低了噴頭結垢風險;反滲透系統(tǒng)有效降低了噴入煙道水量負荷，對煙道影響程度小;在噴頭前端，設計有噴頭保護裝置，可以防止煙氣中粉塵對噴頭的磨損，延長噴頭使用時間。

預處理模塊、濃縮減量模塊、煙道余熱蒸發(fā)模塊的協同作用，使得脫硫廢水達到較理想的零排放。

3 運行成本分析

該系統(tǒng)運行成本分析見表5。其中，出水水量20m3/h，按24h/d、360d/a計，水量為172800m3/a;占地面積為318m2。蒸汽單價按150元/t，上網電價按0.4963元/(kW·h)計。

表5 運行成本

該系統(tǒng)具有自動化程度高，操作方便;工程投資省、運行能耗低、處理費用小等特點;并可充分利用鍋爐煙氣余熱，無需額外熱源，達到節(jié)能減排，具有廣泛的應用價值。

4 結語

(1)基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放技術可行;應用該技術時應綜合考慮機組負荷及鍋爐爐后煙風系統(tǒng)配置情況，設計合適的工藝參數。

(2)高效多維極相電絮凝耦合雙堿法預處理模塊可去除大部分固體懸浮顆粒、重金屬離子和硬度離子等，有效地軟化水質，防止煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)噴頭的結垢堵塞，實現脫硫廢水零排放。

(3)雙膜法高鹽水濃縮減量模塊穩(wěn)定運行，有效減少進入煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)水量，可回收60%的廢水，減少對煙道溫度、濕度、粉煤灰質量以及除塵效率的影響。

(4)該系統(tǒng)實現燃煤電廠真正意義上脫硫廢水零排放，保護了水資源，降低了電廠水耗與能耗，為建設更加環(huán)保的燃煤電廠提供重要技術支持，有廣泛應用前景。

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Design and application of flue gas duct waste heat evaporation based zero discharge technology for treatment of desulfurization wastewater from thermal power plants

By taking the design of wastewater zero discharge system for treatment of desulfurization wastewater produced from a 2×350MW generator set in Henan Jiaozuo as an example，it expounds the operation condication and analyzes the costs of the system，which includes the pretreatment module consisting of efficient multidimensional phase electrocoagulation reactor and double－alkaline process，the concentration module of double－membrane process，and the evaporating module by using waste heat from flue gas duct.The results demonstrate the application value of the zero discharge system with the advantage of inexpensive，less water consumption of desulfurization process and lower energy consumption.

thermal power plants;desulfurization wastewater;flue gas duct waste heat evaporation;zero discharge

X703.1

B

1674－8069(2016)03－016－05

2016-03-12

張凈瑞(1988-)，女，工學碩士，從事污水處理工程的設計及調試。E－mail:jrzhang@iue.ac.cn